JP4345014B2 - Measurement and stabilization system for machine-controllable vehicles - Google Patents

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Abstract

Device for measuring the movement and or position of an aircraft (1) comprises imaging optics (2) with which a sequential images of the environment (4) is obtained. The images are analyzed using an optoelectronic displacement sensor (3), which comprises a multiplicity of photosensitive surfaces and evaluation electronics for detecting the displacement of images structures and for outputting a measurement signal for the displacement. An independent claim is made for a method for measuring the movement and or position of an aircraft with at least six degrees of freedom.

Description

本発明は、速度等の運動関連測定対象および/または機械制御可能な乗り物の位置を6個の自由度のうち少なくとも1個について測定する装置およびプロセスに関し、ここに、「乗り物」という用語は光学センサー技術を用いる飛行物体を含んでいる。更に本発明は、無人または有人飛行物体を制御する安定化システムとしての利用法に特に関係する。そのような安定化の目的は、制御を大幅に簡素化または代替することにある。   The present invention relates to an apparatus and process for measuring the position of a motion-related measurement object such as speed and / or a machine-controllable vehicle for at least one of six degrees of freedom, where the term “vehicle” is optical Includes flying objects that use sensor technology. Furthermore, the invention relates particularly to its use as a stabilization system for controlling unmanned or manned flying objects. The purpose of such stabilization is to greatly simplify or replace control.

そのような安定化は、遠隔制御ヘリコプターにおいて、制御が困難であり、訓練されたパイロットにしかできないため、特に重要である。ヘリコプターの場合、制御は特に飛行運動の一方または両方の水平成分を含んでいてよい。本発明の更に可能な適用分野として有人飛行機の、特に地表付近および着陸時における制御の簡素化がある。更なる実施形態として、距離測定、地上高度凹凸の走査、いくつかの飛行物体相互の飛行動作の調節等、更に他の用途があり得る。   Such stabilization is particularly important in remote controlled helicopters because it is difficult to control and can only be trained pilots. In the case of a helicopter, the control may in particular include one or both horizontal components of the flight movement. A further possible field of application of the present invention is the simplification of control of manned airplanes, especially near the ground and at landing. As further embodiments, there may be other applications such as distance measurement, ground altitude unevenness scanning, adjustment of flight motion between several flying objects, and the like.

従来の遠隔制御ヘリコプターは、趣味目的あるいは航空写真術目的で使用する際に、安定化装置として尾部回転翼により垂直軸回りの動作を安定させる圧電回転センサーしか備えておらず、他の軸回りには安定させない。   Conventional remote control helicopters only have a piezoelectric rotation sensor that stabilizes the movement around the vertical axis by the tail rotor as a stabilizer when used for hobby purposes or aerial photography purposes. Does not stabilize.

DE69502379号明細書並びに特開平10−328427号公報にヘリコプター用の調節制御を記述しており、この中に存在する重力加速度および角速度用の機器を用いて人工的に水平軸が形成されてローターブレードの傾きが制御される。   DE 69502379 and JP-A-10-328427 describe adjustment control for a helicopter, in which a horizontal axis is artificially formed using a device for gravity acceleration and angular velocity existing therein, and a rotor blade Is controlled.

米国特許第5,738,300号明細書は上記に加えて、気流(気流速度)に対する巡航速度を測定して制御する。上述の全てのケースにおいて、地表位置に関する制御および特に静止ホバリングが不可能である。   In addition to the above, U.S. Pat. No. 5,738,300 measures and controls cruise speed relative to airflow (airflow velocity). In all the cases described above, control over the surface position and in particular stationary hovering is not possible.

RU9300250号明細書(ロシア)およびDE69507168号明細書に記載されている安定化システムでは、傾きに関する情報を取得してこれを制御するために、いくつかの光センサーにより入射光の方向を測定および評価し、これはまた、接近中の物体の検知も含んでいてよい。前記両システムは、一様な照明および極めて均一な水平軸がある場合にのみ正確な動作が可能である。   In the stabilization systems described in RU 9300250 (Russia) and DE 69507168, the direction of incident light is measured and evaluated by several light sensors in order to obtain information about the tilt and control it. However, this may also include detection of an approaching object. Both systems can only operate accurately when there is uniform illumination and a very uniform horizontal axis.

欧州特許第0780807号明細書は、ジャイロスコープ等の従来型機器を使用し、相対的な方法で飛行姿勢および水平速度を安定化させる自動操縦装置を記載している。しかし、地表に対する絶対位置の絶対測定または調節制御は不可能である。   EP 0780807 describes an autopilot that uses conventional equipment, such as a gyroscope, to stabilize flight attitude and horizontal speed in a relative manner. However, absolute measurement or adjustment control of the absolute position with respect to the ground surface is impossible.

例えばヘリコプターの飛行経路を制御して、例えば静止ホバリングを行なうために、第一に傾き(すなわちロールおよびピッチ角)を、第二にその結果生じる速度を、共にローターブレード制御を適切に操縦することにより制御する必要がある。このために、傾き並びに水平速度(好適には地表に対する)を知る必要がある。自動操縦飛行の場合、生じた傾きに対応するだけでは十分でない。それは、このような場合でもヘリコプターは恐らく自身の所与の速度を落とさないためである。むしろ、適切に調節された反対方向への傾きにより止めなければならない。   Properly maneuver the rotor blade control, for example, to control the helicopter's flight path, for example to perform static hovering, first the tilt (ie roll and pitch angle) and secondly the resulting speed. Need to be controlled by. For this, it is necessary to know the tilt as well as the horizontal velocity (preferably with respect to the ground surface). In the case of autopilot flight, it is not enough to respond to the resulting tilt. This is because even in this case, the helicopter probably does not slow down its given speed. Rather, it must be stopped by a properly adjusted tilt in the opposite direction.

この観点から、本発明の目的は地表に対する水平運動を測定して安定化させることである。   From this point of view, the object of the present invention is to measure and stabilize the horizontal movement with respect to the ground surface.

DE69426738T2号明細書は、ジンバル搭載台に搭載された画像センサーを有するナビゲーション・システムを記載しており、その画像データをシフト運動に関して解析し、積分して位置を決定する。   DE 69426738 T2 describes a navigation system having an image sensor mounted on a gimbal mount, the image data is analyzed for shift motion and integrated to determine the position.

DE69310695T2号明細書は、1台以上のカメラにより飛行位置において得られた画像の評価を記載している。特定の特徴的画像部分をその光学移動に関して連続的に解析した。ここから、これらの運動の中心または消失点が決定され、検知されたシフト速度が解析されて消失点からの距離により重み付けされ、それによりナビゲーション目的で各々の地表点までの距離が計算される。   DE69310695T2 describes the evaluation of images obtained at a flight position by one or more cameras. A specific characteristic image part was continuously analyzed with respect to its optical movement. From here, the center or vanishing point of these movements is determined, and the detected shift speed is analyzed and weighted by the distance from the vanishing point, thereby calculating the distance to each ground point for navigation purposes.

DE69012278T2号明細書は、これもまたナビゲーション目的で、今撮影した画像と以前に保存された画像の地図と比較して認識する。   DE 69012278 T2 also recognizes this for navigation purposes, comparing it with a map of the currently taken image and a previously stored image.

上述の3種の方法すべては、複雑な画像処理および少なくとも1台のカメラを必要とする。測定速度は、カメラ固有のフレーム速度の制約を受ける。ビデオ・カメラにおいてこれは、特に小型ヘリコプターの場合に速い姿勢制御を行なう際に不都合である。遠隔制御される軽量飛行物体の場合、このような方法は、その重量、コスト、および走査速度の制約のために不都合である。   All three methods described above require complex image processing and at least one camera. Measurement speed is subject to camera specific frame rate constraints. In video cameras this is inconvenient for fast attitude control, especially in the case of small helicopters. For a remotely controlled lightweight flying object, such a method is disadvantageous due to its weight, cost, and scanning speed constraints.

衛星ナビゲーション(GPS)による位置測定には、微小運動が地表付近で重要であるにもかかわらず十分な精度で検知できないという不都合がある。更に、重量およびコストの理由により、簡略モデルへの適用は合理的でない。   Position measurement by satellite navigation (GPS) has the disadvantage that it cannot be detected with sufficient accuracy even though micromotion is important near the ground. Furthermore, due to weight and cost reasons, application to a simplified model is not reasonable.

本発明の目的は、上述の種類のシステムであり、上述の不都合なく動作し、運動を正確に検知するものであり、従ってスタビライザ用の測定装置としても適用できる。   The object of the present invention is a system of the type described above, which operates without the above-mentioned disadvantages and accurately detects movement, and can therefore be applied as a measuring device for stabilizers.

解決策として、独立請求項に記載する特徴を提供する。   As a solution, the features described in the independent claims are provided.

本発明の更なる目的は、飛行物体の制御を安定化させることである。このために、従属請求項18以降に記載する特徴を提供する。   A further object of the present invention is to stabilize the control of the flying object. For this purpose, the features described in the dependent claims 18 and thereafter are provided.

本光学的画像処理システムは、例えば凸レンズ、カメラレンズ、凹面鏡、その他任意の画像投影レンズのグループであってよい。   The optical image processing system may be a group of, for example, a convex lens, a camera lens, a concave mirror, and any other image projection lens.

シフトセンサーとして好適には、画像取得装置と比較して感度が低い多くの感光要素を有し、同一チップ上電子評価回路が一体化されている光学センサーが使用されていて、当該センサーは運動センサーとしても知られる種類であり、光学マウスに一般的に用いられている。以下、後者を光学式マウス式センサーと呼ぶ。   As the shift sensor, an optical sensor having many photosensitive elements having low sensitivity compared to the image acquisition device and integrated with an electronic evaluation circuit on the same chip is used, and the sensor is a motion sensor. And is commonly used for optical mice. Hereinafter, the latter is referred to as an optical mouse sensor.

そのようなシフトセンサーは基板上に、信号が読み出される場合が多い複数の感光性領域(ピクセル)からなる検知領域を含み、読み出し速度がビデオ・カメラのフレーム速度よりも大幅に速くてもよい。更に、同一基板上に評価ユニットを含み、その中でピクセル信号が変移に関して電子的に解析される。通常、変移は2個の直交座標に関して逐次的に評価され、別個の値(デルタx、デルタy)として出力することができる。シフトは小さいステップに分解することができ、これは例えばピクセル距離に同値であってよい。センサーによる検知は、光学シフト(並進)の方向と大きさの両方を含んでいてよい。   Such a shift sensor may include a detection area on a substrate, which is composed of a plurality of photosensitive areas (pixels) in which signals are often read out, and the reading speed may be significantly higher than the frame speed of the video camera. Furthermore, an evaluation unit is included on the same substrate, in which the pixel signal is analyzed electronically with respect to the transition. Typically, the transition is evaluated sequentially with respect to two orthogonal coordinates and can be output as separate values (delta x, delta y). The shift can be broken down into smaller steps, which may be equivalent to pixel distance, for example. Sensor detection may include both the direction and magnitude of the optical shift (translation).

一般的に用いられている光学式マウス・センサーは、例えば、顕微鏡サイズの繊維または紙片の如くマウスパッドの画像構造が無秩序かつ不規則に分布している場合であっても変移を認識できるように、大抵CCD技術(電荷結合素子)における16×16、18×18、または同様の個数のピクセルを含んでいてよい。変移値の評価は、これらのピクセルのデータが連続的かつ頻繁に読み出されて、同一シーケンスの前の時刻におけるものとの相関を求めることにより、自身の座標に関して比較することにより行なうことができる。この比較は、直近に読み出されたデータを用いて行なうことも、または同一シーケンスのより早いサイクルからのデータを用いて行なってもよい。データは一時的に、互いの相関を求めることができる。本評価プロセスは、プログラム制御下でデジタル的に実行することができる。類似度アルゴリズムを用いてもよい。このために、個々のピクセルの輝度信号は最初に、区別された輝度のいくつかの段階に分けられ、それにより解析すべき情報量が削減される。平均的な画像明度への適合が含まれている。すなわち、シャッタ時間が変動する、および/または、平均明度に適合している少なくとも1個の共有基準値に関してピクセルが解析される。この種の方法により、たとえ背景や外界の輝度が変化する場合であっても、評価プロセスが正しく機能するようにできる。   Commonly used optical mouse sensors can recognize transitions even when the image structure of the mouse pad is randomly and irregularly distributed, such as for example, microscopic sized fibers or paper pieces. , Usually 16 × 16, 18 × 18, or similar number of pixels in CCD technology (charge coupled devices). The transition values can be evaluated by comparing the data of these pixels with respect to their own coordinates by reading them continuously and frequently to obtain a correlation with the previous time of the same sequence. . This comparison may be performed using the most recently read data or using data from earlier cycles of the same sequence. Data can be temporarily correlated with each other. The evaluation process can be performed digitally under program control. A similarity algorithm may be used. For this purpose, the luminance signal of an individual pixel is first divided into several stages of differentiated luminance, thereby reducing the amount of information to be analyzed. Includes adaptation to average image brightness. That is, the pixels are analyzed with respect to at least one shared reference value that varies in shutter time and / or matches the average brightness. This type of method allows the evaluation process to function correctly even when the background or the brightness of the outside world changes.

シフトセンサーは、本来は光学マウスへの適用に、およびコンピュータ画面上のナビゲーションにのみ用いられてきたにせよ、本発明によればセンサーとして好適に利用することができる。すなわち、遠隔物体の画像化を行なう上述の光学手段と組み合わされる。これにより、自由空間内での遠隔物体の走査への適用が可能である。   The shift sensor can be suitably used as a sensor according to the present invention even though it has been originally used only for application to an optical mouse and only for navigation on a computer screen. That is, it is combined with the above-described optical means for imaging a remote object. As a result, application to scanning of a remote object in free space is possible.

多くの場合、物体の照明は、専ら周辺光のみを用いて得られる。   In many cases, illumination of objects is obtained exclusively using ambient light.

感光性配列およびその電子評価回路を同一チップ上に有するセンサーの更なる利点は、低コスト、軽量性、および高い評価である。   Further advantages of a sensor having a photosensitive array and its electronic evaluation circuit on the same chip are low cost, light weight, and high evaluation.

ピクセルの数が比較的少ない利点として、テレビカメラやビデオカメラを必要とするシステムと比較して走査速度が速いことが挙げられる。飛行物体が小さいほど、従ってより迅速に応答するほど、飛行物体の姿勢制御を十分速く機能させるためにサンプリング・レートの重要性が増す。ビデオ信号の大量データを無くすことにより、処理速度の向上という利点が得られる。シフトセンサーは、データシートに従って指定されるクロック周波数よりも低いクロック周波数で動作可能である。これにより、露出時間を長くでき、従ってより高い感光性が得られる。クロック周波数を(元の)75%〜10%またはそれ以下に下げても、ビデオ・カメラの場合より実質的に速いデータ速度が得られる。   The advantage of a relatively small number of pixels is that the scanning speed is faster compared to systems that require television cameras and video cameras. The smaller the flying object, and thus the more quickly it responds, the more important the sampling rate is in order for the flying object attitude control to function sufficiently quickly. By eliminating the large amount of data in the video signal, the advantage of improved processing speed can be obtained. The shift sensor can operate at a clock frequency lower than the clock frequency specified according to the data sheet. Thereby, the exposure time can be lengthened and thus higher photosensitivity can be obtained. Decreasing the clock frequency to (original) 75% to 10% or less can result in a data rate substantially faster than with a video camera.

光学式マウス内へのシフトセンサーの適用とは対照的に、本発明による装置は、相当に大きくかつ遠方の物体を対象にすべく設計されなければならない。しかし、光学式マウスに用いられた光学機器に加えて、現行レンズと協同して、独立請求項に規定された画像化を行なえるだけの寸法を与えられた補完的光学機器を提供することができる。これは例えば、バーロウの原理に従う凹レンズの追加により、または中間画像面への画像投影により、実行することができる。   In contrast to the application of a shift sensor in an optical mouse, the device according to the invention must be designed to target fairly large and distant objects. However, in addition to the optical equipment used in the optical mouse, in cooperation with the current lens, it is possible to provide a complementary optical equipment that is dimensioned to perform the imaging defined in the independent claim. it can. This can be done, for example, by adding a concave lens according to Barlow's principle or by projecting an image onto an intermediate image plane.

利点として、画像化光学システムは無限遠に焦点を合わせることも、あるいはより好適には、鮮明度の深さを含む、無限遠から可能な最短物体距離にわたる鮮明度の範囲が生じるような距離に焦点を合わせることもできる。   As an advantage, the imaging optics system may focus at infinity, or more preferably at a distance that results in a sharpness range from infinity to the shortest possible object distance, including depth of sharpness. Can be combined.

焦点距離は、センサーにより定義される空間解像度に基づいて、必要な角解像度に従い選択することができる。焦点距離の選択はまた、取得可能な鮮明度の深さ(被写界深度の範囲)および速度に関する最大測定範囲を考慮に入れることができる。遠隔制御される小型ヘリコプターへの適用に適した焦点距離は7〜25mm、好適には10〜12mmの範囲である。これにより、十分な角解像度、十分な速度測定範囲、並びに約20cmから無限遠までにわたる鮮明度の適切な深さが得られる。ここに、用語「焦点距離」とは、画像面までの距離ではなく、レンズ特性を意味する。   The focal length can be selected according to the required angular resolution based on the spatial resolution defined by the sensor. Focal length selection can also take into account the maximum depth of field that can be obtained (range of depth of field) and the maximum measurement range for speed. The focal length suitable for application to a remotely controlled small helicopter is in the range of 7-25 mm, preferably 10-12 mm. This provides a sufficient angular resolution, a sufficient velocity measurement range, and an appropriate depth of sharpness ranging from about 20 cm to infinity. Here, the term “focal length” means not a distance to the image plane but a lens characteristic.

本発明により画像化光学システム(2)とシフトセンサー(3)を組合せて得られたセンサーユニット(5)は、装置の外側の自由空間に達する円錐形の探索範囲を有し、その角度幅はシフトセンサーの全感光領域の大きさおよび画像化光学システムの焦点距離により規定される。ビデオ・カメラ等の画像化機器を用いるシステムとは異なり、以下の記述の大部分は探索範囲の角度幅を無視して、以下に「視線」と称する画像化の光軸または主方向(11)のみを考慮する。   The sensor unit (5) obtained by combining the imaging optical system (2) and the shift sensor (3) according to the present invention has a conical search range reaching free space outside the device, and its angular width is It is defined by the size of the total photosensitive area of the shift sensor and the focal length of the imaging optical system. Unlike systems that use imaging equipment such as video cameras, most of the following description ignores the angular width of the search range, and the imaging optical axis or main direction (hereinafter referred to as “line of sight”) (11) Only consider.

本発明に従い、大気、地表、その他遠方物体の構造およびコントラストがシフトセンサー上へ光学的に画像化される。一般に、変移を検知すべく上述のシフトセンサーが必要とするテクスチャは、表層テクスチャ、詳細、輪郭その他同様の特徴に起因して、外界または地形の一部により特徴付けられた任意のコントラストから生じてもよい。これらは例えば、光学式マウスの動作と同様に、別個に物体の境界、またはその表面の光学的粗さから生じる場合がある。地表の画像に通常生じるほとんどすべての可視構造は、このようなコントラスト、構造、およびテクスチャを十分に含むことにより、上述のシフトセンサーは飛行中であっても画像並進を検知することができる。例外は、水面、霧または連続した雪面である。   In accordance with the present invention, the structure and contrast of the atmosphere, the ground, and other distant objects are optically imaged onto the shift sensor. In general, the texture required by the above-mentioned shift sensor to detect a transition arises from any contrast characterized by the outside world or part of the terrain due to surface texture, details, contours and similar features. Also good. These may arise, for example, separately from the boundary of the object, or the optical roughness of its surface, similar to the operation of an optical mouse. Almost all visible structures that normally occur in ground images contain such contrasts, structures, and textures so that the shift sensor described above can detect image translation even in flight. Exceptions are water, fog or continuous snow.

乗り物、例えば飛行物体に搭載された装置により、その運動が測定可能になる旨を以下の項目a)〜d)に記述しているが、これには限定されない。   Although the following items a) to d) describe that the movement can be measured by a device mounted on a vehicle, for example, a flying object, the present invention is not limited to this.

一般に、乗り物の回転(a)および並進(b)の両方が測定可能である。これは、両方の種類の運動により、画像化光学システムへの虚像の光入射方向の移動が生じるためである。   In general, both vehicle rotation (a) and translation (b) can be measured. This is because both types of movement cause movement of the virtual image into the imaging optical system in the direction of light incidence.

画像化に起因して、入射角がシフトセンサー上の比例画像シフトに変換され、このように測定することができる。これにより、画像化光学システムの焦点距離は比例係数である。   Due to imaging, the angle of incidence is converted into a proportional image shift on the shift sensor and can be measured in this way. Thereby, the focal length of the imaging optical system is a proportionality factor.

本発明の構成および設計に応じて、乗り物の位置および方向の異なる測定対象を測定することができる。   Depending on the configuration and design of the present invention, measurement objects with different vehicle positions and directions can be measured.

a)乗り物の回転、例えばロール、ピッチ、および/またはヨーを測定する場合、視線または少なくともそのベクトル成分が回転軸に対して横向きになるように、センサー装置が搭載されていて、センサー内で回転軸に対して直交する成分に沿って画像シフトが測定されるようにする。飛行運動を安定化させたり不要な揺れを避けるために、更に、実測値対目標値の比較により測定値を用いて制御値を生成して、制御信号を関連する操縦装置へ送って補正を実行することにより、閉ループ制御を確立することができる。機首を安定化させるため、適切な構成としては斜め前方下向きおよび/または後方下向きである。   a) When measuring the rotation of a vehicle, eg roll, pitch and / or yaw, a sensor device is mounted so that the line of sight or at least its vector component is transverse to the axis of rotation; Image shift is measured along the component orthogonal to the axis. In order to stabilize the flight movement and avoid unnecessary shaking, the control value is generated using the measured value by comparing the measured value with the target value, and the control signal is sent to the relevant control device to perform the correction. By doing so, closed loop control can be established. In order to stabilize the nose, suitable configurations are diagonally forward downward and / or backward downward.

更に、目標の方向を走査することにより、追跡を実現することができる。このために、上述の閉ループを提供する。制御値は追跡を遂行することができる。すなわち、照準を制御するか、または、照準の結果として、目標へコースを向ける。両方の場合において、走査デバイスの照準方向は、自己調節されたループより影響を受け、その支配下にある。対象物自身が動いている場合であっても、これを目標追跡のために用いることができる。このために、視線は最初は目標へ向けられ、この照準は、調節制御により維持される。   Furthermore, tracking can be realized by scanning the direction of the target. For this purpose, the closed loop described above is provided. Control values can be tracked. That is, control the aim or direct the course to the goal as a result of aiming. In both cases, the aiming direction of the scanning device is more influenced and under control of the self-regulating loop. This can be used for target tracking even when the object itself is moving. For this purpose, the line of sight is initially aimed at the target, and this aim is maintained by the adjustment control.

別の用途として、自身のサーボモータによる光学機器の追跡がある。これを用いて、動画や写真用にカメラを安定化させることができる。有利なのは、いくつかのタイプの不要な運動を安定化させることができる点である。すなわち第一に、乗り物または飛行物体各々の揺動運動、第二に、駆動により生じる画像区画のはみ出し、第三に、目標物体自身が動く可能性である。従来のジャイロスコープ・スタビライザは、第一の種類の影響しか補償しない。別の利点として、上述のように動画記録のフレーム速度と比較して、シフトセンサーの応答が大幅に速いことが挙げられる。上述の装置はまた、乗り物に限定することなく一般的な利用に適している。この観点から、請求項1に記載の装置と同等なセンサーユニットがカメラと共に、サーボモータにより移動可能なカメラ・プラットフォーム上に搭載されていて、センサーユニットがカメラと共に移動する。   Another application is tracking optical equipment with its own servo motor. This can be used to stabilize the camera for moving pictures and photos. Advantageously, several types of unwanted movement can be stabilized. That is, the first is the swinging motion of each vehicle or flying object, the second is the protrusion of the image section caused by the drive, and the third is the possibility of the target object itself moving. Conventional gyroscope stabilizers only compensate for the first type of effect. Another advantage is that, as described above, the response of the shift sensor is significantly faster than the frame rate of moving image recording. The device described above is also suitable for general use without being limited to vehicles. From this point of view, a sensor unit equivalent to the apparatus described in claim 1 is mounted together with a camera on a camera platform movable by a servo motor, and the sensor unit moves together with the camera.

b)並進運動を測定するために、光学視線が、少なくともベクトル成分と共に、測定対象である運動の方向に対して横に向けられる。検知された画像シフトの量は、乗り物が移動した距離に比例する。各々の速度に同じことが適用できる。更に、画像シフトは光線の形状に応じて、視線に沿った距離に反比例し、焦点距離に比例し、運動方向と視線との間の角度の正弦に比例する。   b) In order to measure the translational movement, the optical line of sight is directed transversely to the direction of movement being measured, at least with the vector component. The amount of image shift detected is proportional to the distance traveled by the vehicle. The same can be applied to each speed. Furthermore, the image shift is inversely proportional to the distance along the line of sight, proportional to the focal length, and proportional to the sine of the angle between the direction of motion and the line of sight, depending on the shape of the ray.

並進だけを測定するのであれば、(a)において記述されている回転の影響が邪魔になる場合がある。光学測定信号は、これらの影響からパージされる場合がある。すなわち、計算により、回転を表わす回転信号と、フトセンサー信号とが合成される。回転信号は、例えばジャイロスコープ等、他の測定機器を用いて、容易に取得することができる。極性に応じて、計算による合成は、減算、加算、または一般的に混合からなる場合がある。信号は、例えば微分や積分により事前に処理されていてよい。この補償方法により、引用された先行技術により使われる光受信器用のジンバル・マウントを(後者は通常、ビデオ・カメラである)が省略できる。   If only translation is measured, the influence of the rotation described in (a) may get in the way. The optical measurement signal may be purged from these effects. That is, a rotation signal representing rotation and a ft sensor signal are synthesized by calculation. The rotation signal can be easily obtained using another measuring device such as a gyroscope. Depending on the polarity, the computational composition may consist of subtraction, addition, or generally mixing. The signal may be processed in advance, for example by differentiation or integration. This compensation method eliminates the gimbal mount for the optical receiver used by the cited prior art (the latter is usually a video camera).

飛行物体の水平方向の飛行運動を測定する場合、視線は胴体に関して下に固定されていてよい。次いで、通常の姿勢にあるとの前提で、検知された地上テクスチャの光入射を測定可能な方向は、水平方向の飛行運動により逸脱する。従って、水平方向の運動値に適用される上述の閉ループ制御により、例えば、地表速度または対地位置等の水平位置を安定化させることができる。ヘリコプターの場合、これを用いてホバリング飛行を水平に安定化させることができる。すなわち、周期的なローターブレード制御が作動する。   When measuring the horizontal flight movement of a flying object, the line of sight may be fixed below with respect to the fuselage. Next, on the assumption that the robot is in a normal posture, the direction in which the light incidence of the detected ground texture can be measured deviates due to the horizontal flight motion. Therefore, for example, the horizontal position such as the ground speed or the ground position can be stabilized by the above-described closed loop control applied to the horizontal motion value. In the case of a helicopter, this can be used to stabilize hovering flight horizontally. That is, periodic rotor blade control is activated.

上述のように、水平方向測定値は視距離に反比例する。これとは独立した測定値を得るには、距離測定機器を用いて、光学的速度測定信号(オプションとして姿勢影響からパージされた後の)に、少なくとも可能な距離範囲のサブエリア内で測定距離の増大に伴ない連続的に増大する係数を乗算してもよい。距離を測定する際に、車両後進時の衝突センサーや自動焦点カメラとして知られるマイクロ波レーダーまたは超音波レーダー、あるいは、例えばDE4004530に記述されているような、光スキャナ原理に従う光学的距離センサーを用いてよい。しかし、この高度補償は、測定値が安定化ループ制御の用途にのみ用いられる場合には省略しても、または限られた範囲だけで実行してもよい。ヘリコプターにおいてホバリングの安定化は、高度補償なしにPID制御ループを用いて得られた。これは、ループ振幅調節に応じて、任意の地表距離においてに商比率が1:10以内で極めて正確に機能し、比率が1:30以内では更に良好であった。   As described above, the horizontal direction measurement value is inversely proportional to the viewing distance. To obtain an independent measurement, use a distance measuring device to measure the optical velocity measurement signal (optionally after being purged from attitude effects) at least within the sub-area of the possible distance range. You may multiply by the coefficient which increases continuously with increase. When measuring the distance, a microwave radar or ultrasonic radar known as a vehicle reverse collision sensor or an autofocus camera, or an optical distance sensor according to the optical scanner principle, for example as described in DE 4004530, is used. It's okay. However, this altitude compensation may be omitted if the measured value is used only for stabilizing loop control applications, or may be performed only in a limited range. Hovering stabilization in the helicopter was obtained using a PID control loop without altitude compensation. This functioned very accurately within a quotient ratio of 1:10 at any surface distance, depending on the loop amplitude adjustment, and even better when the ratio was within 1:30.

この補償が省略された場合、測定感度がより高く、従って飛行高度が低いほど、制御がより「確実に」機能する。(補償されていない)速度に対して、固定された目標値が与えられている場合、実際の速度は、地表付近において自動的に減速される。この挙動は、その時点において、運動エネルギーの変換に起因して速度が減少する際に、上方への運動が同時に生じ(追い風が地表速度より速い場合を除く)、という副次的効果を有する。従って、地表隆起の上を水平に巡航している間、瞬間的な上昇により衝突が避けられる。この挙動はまた、高度補償が存在する場合、すなわち時間に関して、補償に用いる高度信号を遅延することにより得られる。   If this compensation is omitted, the higher the measurement sensitivity, and thus the lower the flight altitude, the more reliably the control functions. If a fixed target value is given for the (uncompensated) speed, the actual speed is automatically decelerated near the ground. This behavior has the side effect that at that time, when the speed is reduced due to the conversion of kinetic energy, upward movement occurs simultaneously (except when the tailwind is faster than the ground speed). Thus, collisions are avoided by momentary ascent while cruising horizontally over the surface ridges. This behavior is also obtained by delaying the altitude signal used for compensation when altitude compensation is present, i.e. with respect to time.

c)速度が凡そ既知である場合、例えば地表までのまたは物体までの距離も同様に測定することができる。このために、光学的に測定された信号が、距離の逆数として採用される。例えば、既知の速度を光学的に測定された速度値により除算することができる。この値を制御ループにおいて用いる場合、目標値が既に逆数として定義されていれば、除算を省略することができる。   c) If the speed is approximately known, for example the distance to the ground surface or to an object can be measured as well. For this purpose, the optically measured signal is employed as the reciprocal of the distance. For example, a known speed can be divided by an optically measured speed value. When this value is used in the control loop, division can be omitted if the target value is already defined as an inverse.

一つの適用として、エアフォイル型飛行機における地表距離の制御である。水平速度が近似的に既知かつほぼ一定であるため、隆起の上を飛行している場合でも地表からの現在の飛行高度の測定が行なえる。このように、接近を早期に発見して、可視物体との衝突を避けることが可能である。飛行高度を、地表との最短距離に制御または制限することができる。このため、時間的余裕を得るべく、視線を前方下向きに斜めに調節することができる。距離はまた、地表に対してではなく、そこに存在して例えば隆起を形成する物体に関する測定も行なうことができる。   One application is the control of ground distance in airfoil aircraft. Since the horizontal velocity is approximately known and almost constant, the current flight altitude can be measured from the surface even when flying over a ridge. In this way, it is possible to detect an approach early and avoid a collision with a visible object. The flight altitude can be controlled or limited to the shortest distance from the ground. For this reason, it is possible to adjust the line of sight obliquely forward and downward to obtain a time margin. The distance can also be measured not with respect to the ground surface, but with respect to an object that is present there, for example forming a ridge.

d)一般に運動は、各種の異なる座標において測定されて相互に関して関係付けることができる。このような方法で、混合測定対象は、以下に述べる実施形態および図2〜4に示すように、相互に分離されていることが好ましい。更に、距離および距離の変化を、組み合わされた視線に沿って測定することも同様に可能である。これにより、上昇速度または下降速度の各々の測定、または接近の認識が可能になる。   d) In general, motion can be measured and correlated in relation to various different coordinates. In such a method, it is preferable that the mixed measurement objects are separated from each other as shown in the following embodiments and FIGS. It is also possible to measure distances and distance changes along the combined line of sight. This makes it possible to measure each of the ascending speed or descending speed, or to recognize the approach.

本明細書において、各種な測定対象は一般に、「運動関連測定対象」と呼ぶ。これは角度値だけでなくローカル値にも適用できる。運動関連測定対象は、例えば位置、距離または姿勢のように静的な種類のもの、および/または、例えば速度や加速度のような動的な種類のものであってよい。従って、ここでは用語「運動」、「回転」、「並進」、「傾き」等を常に一般的な意味、すなわち位置およびそれら各々の変化率に関して用いる。   In this specification, various measurement objects are generally referred to as “movement-related measurement objects”. This can be applied to local values as well as angle values. The motion-related measurement object may be of a static type, such as position, distance, or posture, and / or a dynamic type of, for example, speed or acceleration. Therefore, the terms “motion”, “rotation”, “translation”, “tilt” etc. are always used here in general terms, ie with respect to position and their respective rates of change.

運動関連測定対象は、地表に対して、または地表に関連付けられた移動または他の飛行物体に対して測定することができる。本発明によれば、以下に「センサー信号」と呼ぶ光学センサーの出力信号は、以下に述べるように、いくつかの方法により利用および評価することができる。光学式マウス・センサーは、2個の座標の各々について2本の線上に増分信号を送る直交出力を有する場合が多く、各シフトがその方向に沿ったステップまたは複数のステップとして信号化される。同様に、データ出力用にシリアル・データ・リンクその他任意の種類の信号転送を用いてもよい。多くの場合、各々のデータ読み出しにより、直近の読み出し以降に生じた変化のステップ数が得られる。   Motion related measurement objects can be measured against the ground surface or against movement or other flying objects associated with the ground surface. According to the present invention, the output signal of the optical sensor, hereinafter referred to as “sensor signal”, can be utilized and evaluated in several ways, as described below. Optical mouse sensors often have quadrature outputs that send incremental signals on two lines for each of the two coordinates, with each shift being signaled as a step or multiple steps along its direction. Similarly, a serial data link or any other type of signal transfer may be used for data output. In many cases, each data read provides the number of steps of change that has occurred since the most recent read.

適切な評価値を用いることにより、各種な情報、例えば、a)運動の方向および速度または角速度、すなわち変更率、b)運動の範囲すなわち位置値または角度値、c)加速度が得られるがこれに限定されない。   By using appropriate evaluation values, various information can be obtained, for example, a) direction and speed or angular velocity of motion, that is, rate of change, b) range of motion or position or angle value, and c) acceleration. It is not limited.

a)変更率は、時間に関して微分することにより得られる。これは、生起している増分シフト・ステップの周波数測定に合致する。このために、離散的増分ステップ形式でシフトを出力しているセンサーにおいて、これらのステップの周波数、例えば出力された直交信号の周波数が測定される。   a) The rate of change is obtained by differentiating with respect to time. This is consistent with the frequency measurement of the incremental shift step taking place. For this purpose, in a sensor outputting a shift in the form of discrete incremental steps, the frequency of these steps, for example the frequency of the output quadrature signal, is measured.

速度測定値が連続的に、または少なくとも擬似連続的に得られるならば好適である。好適には小さく選ばれた連続的な時間間隔内で適切な速度測定を得るために、生起しているステップの間隔毎の各符号付合計を用いる。例えばステップ加算/ステップ減算して、あるいは直近の出力から変化した合計を読み込んで、得られた各合計を間隔の長さで除算する。間隔の長さが常に等しい場合、除算を省略することができる。あるいは、信号が変化する各ステップにおいて、変化した先行ステップ以来の時間幅を得て、その逆数を求めて、変化の方向に対応して符号を与えることができる。   It is preferred if the speed measurements are obtained continuously or at least pseudo-continuously. Each signed sum for each interval of occurring steps is used in order to obtain an appropriate velocity measurement within a continuous time interval, preferably chosen small. For example, step addition / step subtraction or a total changed from the latest output is read, and each obtained total is divided by the length of the interval. Division can be omitted if the lengths of the intervals are always equal. Alternatively, in each step in which the signal changes, the time width since the changed preceding step can be obtained, the reciprocal thereof can be obtained, and a sign can be given corresponding to the direction of change.

更に、このようにして得られた周波数値は、次の変化が起きる前に既に再計算しておくことができる。このために、周波数に対応する期間が満了した後で、周波数値が連続的または段階的に減じられて、現在満了している待ち時間の逆数が直近の周波数値より小さい場合、その逆数に対応する値となる。   Furthermore, the frequency values obtained in this way can already be recalculated before the next change occurs. For this reason, after the period corresponding to the frequency has expired, if the frequency value is reduced continuously or stepwise, the reciprocal of the currently expired waiting time is less than the most recent frequency value. The value to be

b)位置値は、コンピュータ画面上のマウスの通常の動作と同様に、センサー信号の増分ステップを、例えば方向に対応するステップをカウントしたり、増分を積分することにより加算/減算または合計計算して得られる。   b) The position value is calculated by adding / subtracting or summing the incremental steps of the sensor signal, eg counting the steps corresponding to the direction or integrating the increments, similar to the normal operation of a mouse on a computer screen. Obtained.

あるいは、またはこれと組み合わせて、上述のようにして得られる、周波数値の時間に関する連続積分により位置を得ることができる。これにより、上述した測定値に対する他の運動の影響の補償を、統合プロセスに先立って既に補償しておくことが可能になり、従って積分結果が既に補償済みの形式で得られる。   Alternatively, or in combination with this, the position can be obtained by continuous integration with respect to time of the frequency value obtained as described above. This makes it possible to compensate for the influence of other movements on the measurement values mentioned above prior to the integration process, so that the integration results are obtained in a form already compensated.

実施形態に応じて、位置測定に関する各種の測定も結果的に可能になる。下方へ向けられた視線を用いて、地表に関係付けられた位置測定が得られる。   Depending on the embodiment, various measurements related to the position measurement are consequently possible. Using a line of sight directed downwards, position measurements associated with the ground surface are obtained.

本発明による装置からの測定値を用いて、制御ループを確立することができ、同ループ内の調節コントローラ(7)において測定値を用いて制御値を生成して運動を制御する。このために、PIDとして知られる方法を用いる場合がある。実測値は、本発明により生成された任意の、すなわち速度に関係付けられた、または位置に関係付けられた、あるいは部分的に混合された測定値であってもよい。更に、単一または多数の積分および微分値が生成されて含まれていてもよい。例えば、周波数測定値の反復的に微分することにより加速度の値が得られる。更に、PID制御は、例えば圧電ジャイロスコープ等、搭載されている他の測定器からの信号の比例的、微分および/または積分された部分の利用を含んでいてよい。   The measured values from the device according to the invention can be used to establish a control loop, and the control values are generated using the measured values in the adjustment controller (7) in the same loop to control the movement. For this purpose, a method known as PID may be used. The actual measurement may be any measurement generated according to the present invention, i.e. velocity related, position related, or partially mixed. In addition, single or multiple integral and derivative values may be generated and included. For example, acceleration values can be obtained by iteratively differentiating frequency measurements. Further, PID control may include the use of proportional, derivative and / or integrated portions of the signal from other onboard instruments such as, for example, piezoelectric gyroscopes.

手動で与えられる制御信号を、調節制御回路の出力信号(制御信号)に重ね合わることにより、手動制御を補完かつ安定化させることができる。手動制御信号もまた、例えばそれらを入力に混合させることにより、目標値として調節制御ループに含まれていてよい。それにより目標値対実測値の比較が得られ、その際に目標値は手動信号から生じる。以下に調節制御回路の詳細説明を示す。第一の実施形態および図5を参照されたい。   Manual control can be supplemented and stabilized by superimposing the manually supplied control signal on the output signal (control signal) of the adjustment control circuit. Manual control signals may also be included in the regulation control loop as target values, for example by mixing them with the inputs. Thereby, a comparison between the target value and the actual value is obtained, in which case the target value is derived from a manual signal. A detailed description of the adjustment control circuit is given below. See the first embodiment and FIG.

遠隔制御された飛行物体に関して、制御に必要とされる部品は、物体と共に飛行しても、あるいは地上に配置されて無線通信により接続されてもよい。   For remotely controlled flying objects, the parts required for control may fly with the object or may be located on the ground and connected by wireless communication.

シフトセンサーとして、光学式マウス・センサーの代わりに他の光電子機器も同様に利用することができる。シフトセンサーは、少なくとも2個の、隣接して配置された光電光受信器を含んでいて、それら相互の距離が、地上の構造物の画像内に数値的に存在する空間周波数の波長の四分の一に相当する程度の大きさに対応または相当する。光学構造物の運動により、光受信器内で位相偏移された交流信号が誘導される。これらの交流信号は、時間差および/または位相差を解析する回路へ供給/誘導される。この種の回路は、方向感知光電リレーまたは位相比較回路と共に使用されるため、時間比較回路であってよい。この種の回路は、位相位置に基づいて、2つの信号のどちらが一方より進んでいるか、または一方より遅れているかを検知し、それにより運動の方向を、および一定の精度で速度を検知する。更に、本回路は直交原理に従う増分解析に対応していてよく、従って、アナログまたはデジタル式に構成されていてよい。一方、地上構造物の捕捉された部分の方が小さいため、このような機器の測定精度は通常、配列や積分解析電子部品を備えたシフトセンサーよりも小さい。   As the shift sensor, other optoelectronic devices can be similarly used instead of the optical mouse sensor. The shift sensor includes at least two adjacently arranged photoelectric light receivers whose mutual distance is a quarter of the spatial frequency wavelength that is numerically present in the image of the structure on the ground. Corresponds to or corresponds to a size corresponding to one. The motion of the optical structure induces an alternating signal that is phase shifted in the optical receiver. These alternating signals are fed / induced to a circuit that analyzes the time difference and / or phase difference. This type of circuit may be a time comparison circuit because it is used with a direction sensitive photoelectric relay or phase comparison circuit. This type of circuit detects, based on the phase position, which of the two signals is ahead of or behind one, thereby detecting the direction of motion and speed with a certain degree of accuracy. Furthermore, the circuit may support incremental analysis according to the orthogonal principle and thus may be configured in analog or digital form. On the other hand, since the captured part of the ground structure is smaller, the measurement accuracy of such devices is usually less than that of a shift sensor with an array and integral analysis electronics.

光学画像はオプションとして、シフトセンサーに達する前に、残照光増幅器その他の挿入光学機器により増幅することができる。   The optical image can optionally be amplified by an afterglow amplifier or other insertion optics before reaching the shift sensor.

上述の信号処理動作および計算動作はすべて、例えばプログラム制御されたマイクロプロセッサ内でデジタル的に、またはアナログ回路内で実現することができる。ここで述べた、または請求項に示す部分的な方法のいくつかは、一つの組み合わせプロセスと組み合わせても、および/または1台の共有プロセッサにより実行されてもよい。   All of the signal processing and computing operations described above can be implemented, for example, digitally in a program-controlled microprocessor or in analog circuitry. Some of the partial methods described herein or set forth in the claims may be combined with a single combinatorial process and / or performed by a single shared processor.

上述の手順はまた、赤外線光により動作することができる。従って、用語「視認」、「光」および「画像/画像化」は、あらゆる種類の光放射を含んでいる。   The above procedure can also operate with infrared light. Thus, the terms “viewing”, “light” and “imaging / imaging” include all kinds of light radiation.

各々の装置は、暗闇において適用されるべく、光源と組み合わせてもよい。好適には、誘導された仕方で放射され、サンプリング対象に向けて誘導される。   Each device may be combined with a light source to be applied in the dark. Preferably, it is emitted in a guided manner and directed towards the sampling object.

以下に、実施形態の例を参照しつつ動作をについて詳述する。   Hereinafter, the operation will be described in detail with reference to an example of the embodiment.

図1に、ヘリコプター(1)の水平方向運動を測定して安定化させる第一の実施形態の例を示す。レンズ(2)は、対物レンズとして機能し、積分解析装置を備えた光学シフトセンサー(3)上へ、地表(4)の可視区画を射影する。前進運動の間、地上の点(44)が位置44’に光学的に移動し、従って、センサー(3)上の当該画像がシフトされる。センサーは、シフトの増分測定値を2個の座標(xおよびy)に出力する。図に示すように、視線が下向きである場合、地表に対する飛行速度に関する、進行方向および横方向の両成分の情報が得られる。   FIG. 1 shows an example of a first embodiment in which the horizontal movement of the helicopter (1) is measured and stabilized. The lens (2) functions as an objective lens and projects the visible section of the ground surface (4) onto the optical shift sensor (3) equipped with an integral analysis device. During the forward movement, the ground point (44) optically moves to position 44 ', thus shifting the image on the sensor (3). The sensor outputs an incremental shift measurement in two coordinates (x and y). As shown in the figure, when the line of sight is downward, information on both the traveling direction and the lateral direction regarding the flight speed with respect to the ground surface is obtained.

これらの測定値を用いて、飛行経路または静止状態のホバリング飛行を安定化させることができる。このために、フィードバック制御電子部品(7)が、入力側で光学測定信号に接続されていて、出力側で飛行物体を制御する制御値を出力する。当該電子部品には、制御機能全体の少なくとも一部が含まれていて、この場合にはローターブレード(8)の周期的調節が、例えば揺動プレートにより主回転翼平面の傾きを制御し、従ってヘリコプターの水平方向加速に影響を及ぼす。調節制御(7)の動作の一例について、図5並びに以下に詳述する。   These measurements can be used to stabilize the flight path or stationary hovering flight. For this purpose, the feedback control electronic component (7) is connected to the optical measurement signal on the input side and outputs a control value for controlling the flying object on the output side. The electronic component includes at least a part of the overall control function, in which case the periodic adjustment of the rotor blade (8) controls the inclination of the main rotor plane, for example by means of a rocking plate, and accordingly Affects the horizontal acceleration of the helicopter. An example of the operation of the adjustment control (7) will be described in detail below with reference to FIG.

一方、測定値は水平運動にだけではなく、例えばローリングやピッチング等、飛行物体が同時に行なう回転運動にも依存する。この影響は、回転信号を混合することにより補償される。回転信号は例えば、回転の角速度、または角位置等の他の回転値に比例する場合がある。補償のために適合された回転信号を得るための異なる方法として、以下に述べるものが可能である。   On the other hand, the measured value depends not only on the horizontal motion but also on the rotational motion simultaneously performed by the flying object such as rolling and pitching. This effect is compensated by mixing the rotation signals. The rotation signal may be proportional to other rotation values such as angular velocity of rotation or angular position, for example. Different methods for obtaining a rotation signal adapted for compensation can be described below.

回転信号は、ジャイロスコープまたは圧電回転センサー(9)、(10)(圧電ジャイロ)により得ることができる。このような追加的な測定ピックアップを飛行物体に用意したり、または本発明による装置(5)に取り付けたり実装することができる。圧電ジャイロは角速度を測定するため、補償はジャイロ信号を、例えば微分によりシフトセンサーから得られた、既に速度を表わす周波数信号に混合することにより合理的に行なわれる。   The rotation signal can be obtained by a gyroscope or a piezoelectric rotation sensor (9), (10) (piezoelectric gyro). Such an additional measurement pickup can be provided on the flying object or can be attached or mounted on the device (5) according to the invention. Since piezoelectric gyros measure angular velocity, compensation is reasonably done by mixing the gyro signal with a frequency signal already representing velocity, for example obtained from a shift sensor by differentiation.

ヘリコプターの場合、回転信号を生成してもよい。すなわち、加速度センサーが主回転翼軸と共に移動して、回転翼軸から一定距離を置いて配置し、回転翼軸に平行な加速度成分が測定されて、連続測定値が、回転翼の回転の関数として、位相に関して周期的に解析される。ジャイロスコープの場合と同様に、回転翼平面の回転が、加速度センサー内で周期的に変化する加速度として生じて測定される前進力を誘導する。変化の振幅は、測定対象である回転の角速度の測定値である。回転翼回転に関する位相位置は、測定対象である回転の方向および軸の向きの測定値である。測定信号が交差するように、または例えば象限毎に切り替えられて測定されたクロック・レートに従って、回転翼回転に関して同期させたサンプリング・シーケンスを生成することにより位相関連解析が行なわれる。これにより、回転の測定値は、例えばピッチング軸およびローリング軸等の成分に分割されて得られる。同期化は、回転翼軸の回転をサンプリングするロータリー・エンコーダにより実行することができる。   In the case of a helicopter, a rotation signal may be generated. That is, the acceleration sensor moves with the main rotor shaft, is placed at a fixed distance from the rotor blade shaft, the acceleration component parallel to the rotor blade shaft is measured, and the continuous measurement value is a function of the rotation of the rotor blade. As described above, the phase is periodically analyzed. As with the gyroscope, rotation of the rotor blade plane induces a forward force that occurs and is measured as a periodically varying acceleration in the acceleration sensor. The amplitude of the change is a measurement value of the angular velocity of the rotation to be measured. The phase position relating to the rotation of the rotor blades is a measurement value of the direction of rotation and the direction of the axis to be measured. Phase-related analysis is performed by generating a sampling sequence that is synchronized with respect to the rotor blade rotation, such that the measurement signals cross, or are switched from quadrant to quadrant, for example, according to the measured clock rate. Thereby, the measured value of rotation is obtained by being divided into components such as a pitching axis and a rolling axis. The synchronization can be performed by a rotary encoder that samples the rotation of the rotor blade shaft.

好適には、測定された力は周期的変化として生じる。従って、加速度センサーは、絶対値を測定できる必要はなく、変化だけを測定できればよい。従って、加速度センサーとして、予算に合う価格の圧電力コンバータを用いることができ、その測定値は容量的に結合できるだけである。更に、結果的に測定値のゼロ点エラーが開始以降発生しない、すなわち、測定値が振幅の形式で得られるという利点がある。回転センサーから調節制御装置への信号送信は無線通信、光電子トランスデューサ、誘導信号結合または摺動接触により生起することができる。光学測定が無い場合でも、この測定手順は一般に、傾きが測定値に応じて調節制御される回転翼飛行機の安定化に適用できる。このために、加速度センサーが主回転翼軸と共に移動して、回転翼軸から一定の距離に配置されて、回転翼軸に平行な加速度成分が測定され、かつ回転翼の位置に従って連続的な測定値が位相に関して周期的に解析されて同期がとれていれば十分である。   Preferably, the measured force occurs as a periodic change. Therefore, the acceleration sensor need not be able to measure absolute values, but only need to be able to measure changes. Therefore, a piezoelectric converter with a price suitable for the budget can be used as the acceleration sensor, and the measured value can only be capacitively coupled. Furthermore, as a result, there is an advantage that no zero error of the measured value occurs after the start, ie the measured value is obtained in the form of amplitude. Signal transmission from the rotation sensor to the regulation controller can occur by wireless communication, optoelectronic transducer, inductive signal coupling or sliding contact. Even in the absence of optical measurements, this measurement procedure can generally be applied to the stabilization of a rotorcraft whose slope is adjusted and controlled according to the measured values. For this purpose, the acceleration sensor moves with the main rotor shaft, is placed at a certain distance from the rotor blade shaft, the acceleration component parallel to the rotor blade shaft is measured, and continuous measurement according to the position of the rotor blade It is sufficient that the values are periodically analyzed and synchronized with respect to the phase.

別個のセンサーを使わずに回転の影響を補償すべく回転信号を得るには、制御信号を回転信号として用いることができ、制御信号、例えば揺動プレートの傾きのサーボ信号が各々の回転を制御している制御手段に供給される。これが機能するのは、飛行物体が通常、作動に極めて正確に比例するロールまたはピッチ速度で応答するためである。従って、そのような制御信号は、回転信号を補償するために用いられる角速度の適当な測定値を提供する。その際に、制御信号を、周波数測定により取得可能な、シフトセンサーから得られた速度信号に混合することにより補償が行なわれる。制御信号自身が本発明に従い、調節制御ループにより生成された場合、その実測値は補償対象である測定信号を含み、補償は、制御値から実測値への負フィードバック形式の調節制御ループ内の逆混合に適合して、ループ増幅を減らす。この場合、同一の動作原理により、回転信号の補償混合は、単に各々小さい増幅を有する調節制御ループにより実現することができる。   To obtain a rotation signal to compensate for the effects of rotation without using a separate sensor, a control signal can be used as the rotation signal, and a control signal, for example a servo signal for the tilt of the rocking plate, controls each rotation. Is supplied to the control means. This works because the flying object usually responds with a roll or pitch speed that is very accurately proportional to operation. Such a control signal thus provides a suitable measurement of the angular velocity used to compensate the rotation signal. In so doing, compensation is performed by mixing the control signal with the velocity signal obtained from the shift sensor, which can be obtained by frequency measurement. When the control signal itself is generated according to the present invention by an adjustment control loop, the actual value includes the measurement signal to be compensated, and the compensation is the inverse of the negative feedback type adjustment control loop from the control value to the actual value. Adapt to mixing to reduce loop amplification. In this case, according to the same principle of operation, compensation mixing of the rotation signal can be realized simply by means of a regulation control loop with a small amplification each.

回転信号を得る可能な代替的または組み合わせ的手段として、この目的の第二の光学的シフトセンサーを用いることであり、これは上述のように本発明に従う回転センサーとして機能し、その視線は第一のセンサーとは異なった仕方で照準されている。   As a possible alternative or combinatorial means of obtaining a rotation signal, it is to use a second optical shift sensor for this purpose, which functions as a rotation sensor according to the invention as described above, whose line of sight is the first It is aimed differently from the sensors in

図5に、ヘリコプター(群)用の調節制御装置(7)のブロック図を示す。調節制御ループは、ピッチング軸およびローリング軸と同様に構成されていてよく、従って一度しか示さない。通常の手動動作を行なう間、制御信号は受信器21を介してローターブレード制御24へ出力される。飛行中に到達した位置は、飛行応答挙動の結果生じたものであり、自明な仕方で示すように、時間に関して一連のいくつかの積分値に合致する。これらの運動関連の値は全て、各時点における実際の飛行運動を表わす。運動が測定に及ぼす影響を破線で示す。測定機器(9/10)、(25)、(3)の下に、調節制御装置(7)の動作を、測定対象と調節制御自身の表現に分けて示すものであり、当該制御は実測値と目標値の比較を行なう。   FIG. 5 shows a block diagram of the adjustment control device (7) for the helicopter (group). The adjustment control loop may be configured similarly to the pitching and rolling axes and is therefore only shown once. During normal manual operation, control signals are output to the rotor blade control 24 via the receiver 21. The position reached in flight is the result of the flight response behavior and matches a series of several integrals over time, as shown in a self-evident manner. All these motion-related values represent the actual flight motion at each time point. The effect of movement on the measurement is indicated by a broken line. Under the measuring instruments (9/10), (25), (3), the operation of the adjustment control device (7) is shown separately for the measurement object and the expression of the adjustment control itself. And the target value is compared.

シフトセンサー(3)の信号から、最初に周波数(27)が得られる。周波数は、上述のように、傾きおよび恐らくは飛行高度の影響からパージすることができる。ここではこれを加算(24)により行なう。後続する積分(28)は合算またはカウントであってよく、位置信号を生成するものであり、周波数測定の微分効果が再び反転される。   The frequency (27) is first obtained from the signal of the shift sensor (3). The frequency can be purged from tilt and possibly flight altitude effects as described above. Here, this is performed by addition (24). Subsequent integration (28) may be summing or counting and produces a position signal, with the derivative effect of the frequency measurement reversed again.

飛行経路または飛行速度の目標値が与えられる。これは例えば、時間の関数としてパラメータ化された速度ベクトルまたは位置ベクトルであってよい。この関数は飛行に先立ってプログラムしておいても、または飛行中に事前設定されてもよく、あるいはホバリングのような特別な場合はゼロ(速度ベクトルとして)または定数(位置ベクトルとして)であってよい。現時点の目標値が、例えば無線通信受信器22により生成されて、減算(30a)により光学測定値と比較される。取得された差異は、目標ルート(30aの)または目標速度からの各々の瞬間的な偏差に対応する。必要とされる位置ベクトルの目標値の(図示された)ケースにおいて、調節が生起するのは、最初に位置偏差(30a)がフライトバック速度の制御値として定義され、この速度自身が調節制御される(30b)ことによる。PID法によれば、位置測定値と速度測定値の混合値は、互いに調節制御されてよい。   A target value for the flight path or flight speed is given. This may be, for example, a velocity vector or a position vector parameterized as a function of time. This function may be programmed prior to flight or pre-set during flight, or may be zero (as a velocity vector) or constant (as a position vector) in special cases such as hovering. Good. The current target value is generated, for example, by the wireless communication receiver 22 and compared with the optical measurement value by subtraction (30a). The obtained difference corresponds to each instantaneous deviation from the target route (30a) or target speed. In the case of the required position vector target value (illustrated), the adjustment occurs because the position deviation (30a) is first defined as the control value for the flightback speed, and this speed itself is adjusted and controlled. (30b). According to the PID method, the mixed value of the position measurement value and the speed measurement value may be adjusted and controlled to each other.

速度の偏差に比例および反比例して、傾き制御値(30b)が定義され、それに従って主回転翼平面の傾きが制御される。ヘリコプターが傾いた際に、傾き比例する水平方向加速により応答する。従って、飛行速度は傾きの時間積分に比例して変化し、調節制御ループが閉じる。   An inclination control value (30b) is defined in proportion and inversely proportional to the speed deviation, and the inclination of the main rotor blade plane is controlled accordingly. When the helicopter tilts, it responds with horizontal acceleration proportional to the tilt. Accordingly, the flight speed changes in proportion to the time integral of the slope, and the adjustment control loop is closed.

傾きを目標値に近づけるために、スワッシュ・プレート(8)のアクチュエータを制御する。ヘリコプターは自身の傾きを直接制御することができず、その変化(角速度)の速度を介してのみ制御できるため、傾きはアクチュエータの位置からは直接にはわからない。従って、傾きを制御するために、それ自身の測定値が利用できれば好都合である。図5において、この目的のために傾きセンサー(25)が用意されており、自身の目標値比較(30c)が可能である。ミキサーまたはスイッチャ(23)を介して、結果が回転翼制御機能(8)へ制御値(26)として供給される。   In order to bring the inclination closer to the target value, the actuator of the swash plate (8) is controlled. Since the helicopter cannot directly control its inclination, but only through the speed of change (angular velocity), the inclination is not directly known from the position of the actuator. Therefore, it would be advantageous if its own measurements could be used to control the tilt. In FIG. 5, a tilt sensor (25) is prepared for this purpose, and its own target value comparison (30c) is possible. The result is supplied as a control value (26) to the rotor control function (8) via a mixer or switcher (23).

傾きセンサーとして、例えば、引用したRU9300250による装置を用いてよい。しかし、これは十分に正確ではない。代替的または追加的に、傾きの角速度を示す圧電ジャイロスコープ(9,10)の信号の時間積分を導入することにより、人工水平軸の動作に従って、回転翼の傾きを表わすことができる。しかし、積分計算により水平軸の未知の傾斜に対応する未定義の積分定数が生じることが問題である。これは、わずかなドリフト並びにスイッチング・オン時の状況から生じる場合があり、大幅に制御を妨害する。   As the tilt sensor, for example, a device according to the cited RU9300250 may be used. But this is not accurate enough. Alternatively or additionally, the tilt of the rotor blades can be represented according to the operation of the artificial horizontal axis by introducing a time integral of the signal of the piezoelectric gyroscope (9, 10) indicating the angular velocity of the tilt. However, the problem is that the integral calculation produces an undefined integral constant corresponding to the unknown slope of the horizontal axis. This can result from slight drifts as well as switching-on conditions and greatly hinders control.

傾きの測定は、光学シフトセンサー(3)から得られて、速度に比例する測定信号(24)を、自身の周波数範囲の少なくとも一部において時間に関して微分することでなされる。これが機能するのは、通常の飛行状況にあるヘリコプターが自身の傾きに比例して加速し、その加速度は測定された速度を微分して得られるためである。   The measurement of the tilt is made by differentiating the measurement signal (24), which is obtained from the optical shift sensor (3) and is proportional to velocity, with respect to time in at least part of its frequency range. This works because helicopters in normal flight conditions accelerate in proportion to their inclination, and the acceleration is obtained by differentiating the measured speed.

自身はステップ的に出力される光学測定信号に適用される微分演算の結果、増分ステップから妨害要因となる不連続性が生じる場合がある。傾きの測定値は、シフトセンサーから得られて時間に関して微分された測定値と、傾きの角速度に比例する回転信号の時間積分信号の両方を組合せて生成することができる。この点において、特に高周波数の微分された測定値のスペクトル成分の重み付けが小さく、低周波数の積分された信号のスペクトル成分および定数信号成分の重み付けが小さくてよい。このように、不連続性と共に低スペクトル成分も取り出されたならば高スペクトル成分を下げることにより平滑化されるため、積分定数およびゼロ点ドリフトに関する上述の問題が存在しなくなって解決される。各々の欠落部分は他の信号で代替することができる。微分演算およびローパス・フィルタリングの結果光学測定信号に生じる組合せはまた、同義的な仕方で、第一度のハイパスとして表現および生成することができ、積分演算およびハイパス・フィルタリングの結果ジャイロ信号に生じる組合せはまた、同義的な仕方で、第一度のローパスとして表現および生成することができる。   As a result of the differential operation applied to the optical measurement signal output in a stepwise manner, a discontinuity that becomes a disturbing factor may occur from the incremental step. The measured value of the tilt can be generated by combining both the measured value obtained from the shift sensor and differentiated with respect to time, and the time integration signal of the rotation signal proportional to the angular velocity of the tilt. In this respect, in particular, the weighting of the spectral components of the high frequency differentiated measurement values may be small and the weighting of the spectral components and constant signal components of the low frequency integrated signal may be small. In this way, if the low spectral component is extracted together with the discontinuity, it is smoothed by lowering the high spectral component, so that the above-mentioned problems concerning the integration constant and the zero point drift do not exist and are solved. Each missing part can be replaced by another signal. Combinations that occur in the optical measurement signal as a result of differentiation and low-pass filtering can also be expressed and generated as a first high pass in a synonymous manner, and combinations that occur in the gyro signal as a result of integration and high-pass filtering Can also be expressed and generated as a first-pass low-pass in a synonymous manner.

傾きの調節制御への回転信号として、例えば圧電ジャイロスコープまたは制御用の制御値等、回転補償(請求項23による)に関連して記述している各々の方法を用いてよい。代替的に、またはこれと組合せて、回転信号を再び上述のように生成してもよい。   As a rotation signal for tilt adjustment control, for example, each method described in relation to rotation compensation (according to claim 23) such as a piezoelectric gyroscope or a control value for control may be used. Alternatively or in combination, the rotation signal may again be generated as described above.

傾きの調節制御は水平運動の調節制御と組み合わせることができる。すなわち、上述の傾き並びに運動の測定値(速度および/または位置)を混合し、従って一緒に調節制御される。理解を深めるために、「測定対象の表現」と、「調節制御」という操作を明確に区別しているが、実装に際して本質的ではない。一般に、光学測定信号の比例する、微分された、および恐らく積分された部分は調節制御ループに並列に混合され、その結果、上述の調節制御の全体が同義的な仕方で、共有PID調節制御ループの形式で実現される。   Tilt adjustment control can be combined with horizontal motion adjustment control. That is, the tilt and motion measurements (velocity and / or position) described above are mixed and thus adjusted and controlled together. In order to deepen the understanding, the operations of “representation of measurement object” and “regulation control” are clearly distinguished, but it is not essential for implementation. In general, the proportional, differentiated, and possibly integrated parts of the optical measurement signal are mixed in parallel to the regulation control loop, so that the overall regulation control described above is synonymous in a shared PID regulation control loop. It is realized in the form of

調節制御ループ内の積分信号分岐の使用において、静止調節制御が得られることによりホバリング飛行が安定し、外乱、突風等の一時的な偏移の後でさえも、元の位置に復元される。   In the use of the integral signal branch in the regulation control loop, the stationary regulation control is obtained, so that the hovering flight is stabilized and restored to its original position even after a temporary shift such as a disturbance, gust.

シフト値の積分計算において、位置に比例する測定値を得ることができる。地上座標における絶対空間位置を得る場合、ヨーイング運動を補償的に考慮することができる。このために、両方のセンサー座標の増分センサー信号を、積分計算により合算することができ、2個の地上座標を表現する2個の積分和が提供され、さらに、地上座標に直交する回転軸に関してセンサーの並びが測定され、合計対象であるセンサー信号増分が、合算される前に、測定された進行方向の制御の下でベクトル的に回転される。   In the integral calculation of the shift value, a measurement value proportional to the position can be obtained. When obtaining an absolute spatial position in ground coordinates, yawing motion can be considered in a compensatory manner. For this purpose, the incremental sensor signals of both sensor coordinates can be summed by integral calculation, providing two integral sums representing the two ground coordinates, and with respect to the rotation axis orthogonal to the ground coordinates. The sensor sequence is measured and the sensor signal increments to be summed are vectorized under control of the measured direction of travel before being summed.

位置ではなく速度の目標値を提供することができる。そのような目標値は最初に積分されてから、位置の目標値として用いることができる。位置に比例する実測値および目標値も省略でき、調節制御を速度に限定することができる。混合(30a)および積分(28)を省略することができ、手動制御値(22)を速度比較機能(30b)へ直接供給することができる。   A target value for speed, not position, can be provided. Such a target value is first integrated and can then be used as a position target value. The actually measured value and the target value proportional to the position can be omitted, and the adjustment control can be limited to the speed. Mixing (30a) and integration (28) can be omitted and a manual control value (22) can be fed directly to the speed comparison function (30b).

上述の調節制御方法、特にヘリコプターの傾きを調節制御する方法はまた、光学センサーを用いずに飛行安定化に適用することができる。これにより、位置に比例する実測値および目標値を省略して、調節制御を傾き角度に限定することができる。   The adjustment control method described above, particularly the method of adjusting and controlling the inclination of the helicopter, can also be applied to flight stabilization without using an optical sensor. Thereby, the actual measurement value and the target value proportional to the position can be omitted, and the adjustment control can be limited to the tilt angle.

光学センサー(3)の代替または組合せにより、先行技術で公知のあらゆるナビゲーション・システムを適用して位置または速度の実測値(28)を得ることができ、それにより本明細書に記述している調節制御方法を実現することができる。このために、上述の調節制御方法を、センサー(3)および周波数測定機能(27)は省略して、代わりの測定システムから得られる位置測定値(28)および/または速度測定値を採用するように変更するだけでよい。   With an alternative or combination of optical sensors (3), any navigation system known in the prior art can be applied to obtain the actual position or velocity (28), thereby adjusting as described herein. A control method can be realized. For this purpose, the adjustment control method described above omits the sensor (3) and the frequency measurement function (27) and adopts the position measurement (28) and / or velocity measurement obtained from an alternative measurement system. Just change to.

図2に、請求項36、37に従う第二の実施形態の例を示し、回転運動または回転速度を測定するために、少なくとも2個のシフトセンサー(31)、(32)が含まれている。両方のセンサーは、距離を置いて、共有レンズ(2)その他の画像化光学システムの後方に配置されていても、あるいは図4に示すように、自身の画像化光学システムを備えていてもよい。これにより、結果的に得られる構成は、一体化された装置であっても、または別個のユニットに組み立てられていてもよい。異なるセンサーの視線は、所定の角度に分岐するように照準されている。大半の用途の場合、鋭角が適している。従って、両方の視線は類似しており、主視線が結果的に共有され、これが角度の二等分線であるとみなすことができる。角度の二等分線またはその近くの軸回りの回転の結果、接線方向の地表点画像(61、62)の画像シフトが生じる。従って、センサー(31、32)は、接線方向のシフトを検知する仕方で照準している。両方のセンサーで測定された接線のシフトは、例えば減算、混合、比較あるいは一般に両センサーの測定値の重ね合せにより、互いに関連があってよい。このように、シフトの接線部分がフィルタリングにより除去され、測定値は他の運動から実質的にしているようになる。信号の比較は、一般に混合または重ね合せから成っていてよい。個々の測定値が混合の前に異なった重み付けをなされた場合、回転軸線の位置を定義された仕方で変更することができる。同時に、測定値の他の混合から異なる測定値が得られる場合があり、例えば第一実施形態の例に従い、等しく誘導された運動の合計を利用することができる。重ね合せの代わりに、任意の公知種類の信号比較を一般に用いてもよい。   FIG. 2 shows an example of a second embodiment according to claims 36, 37, which includes at least two shift sensors (31), (32) for measuring rotational movement or rotational speed. Both sensors may be located at a distance behind the shared lens (2) or other imaging optical system, or may have their own imaging optical system, as shown in FIG. . Thereby, the resulting configuration may be an integrated device or may be assembled in a separate unit. The lines of sight of different sensors are aimed so as to branch at a predetermined angle. For most applications, an acute angle is appropriate. Thus, both lines of sight are similar and the main line of sight is eventually shared, which can be considered as an angle bisector. As a result of rotation about the bisector of the angle or about an axis near it, an image shift of the tangential ground point image (61, 62) occurs. Therefore, the sensors (31, 32) are aimed in a manner that detects a tangential shift. The tangential shifts measured by both sensors may be related to each other, for example by subtraction, mixing, comparison or generally superposition of the measurements of both sensors. In this way, the tangential portion of the shift is removed by filtering, and the measured value becomes substantially from other movements. The signal comparison may generally consist of mixing or superposition. If the individual measurements are weighted differently before mixing, the position of the axis of rotation can be changed in a defined way. At the same time, different measurements may be obtained from other mixtures of measurements, for example according to the example of the first embodiment, the sum of equally induced movements can be used. Instead of superposition, any known type of signal comparison may generally be used.

図3に、請求項36、38による第三の実施形態の例を示す。これは、距離または距離変化あるいは接近速度を測定するために用いるのに適合されている。図2に示す構成を用いるが、接線方向の画像シフトの代わりに、画像シフトの放射成分は測定される。両方のセンサー信号の減算、または一般に両方の測定値の重ね合せにより、シフトの放射状に逆伝播している部分がフィルタリング除去される。物体または地表(2)の各々に、位置(4’)に向かって接近する際に、可視点(41)は位置(41’)へ移動し、センサー(31)上のその画像が位置(51)から放射方向(51’)へ移動する。同じことが、点(42、42‘)および画像(52,52‘)についてセンサー32に関して言える。光線形状に起因して、測定された角度差は距離の変化に比例し、かつ絶対距離の二乗に反比例して移動する。距離が近似的に既知である場合、従って変化が測定でき、変化信号から出発して進行方向の速度が測定できる。   FIG. 3 shows an example of a third embodiment according to claims 36 and 38. It is adapted for use to measure distance or distance change or approach speed. The configuration shown in FIG. 2 is used, but instead of a tangential image shift, the radiation component of the image shift is measured. Subtraction of both sensor signals, or generally superposition of both measurements, filters out the radially backpropagating portion of the shift. As each object or ground surface (2) approaches toward position (4 '), the visible point (41) moves to position (41') and its image on the sensor (31) moves to position (51). ) To the radial direction (51 ′). The same is true for sensor 32 for point (42, 42 ') and image (52, 52'). Due to the beam shape, the measured angular difference moves in proportion to the change in distance and inversely proportional to the square of the absolute distance. If the distance is approximately known, the change can thus be measured and the speed in the direction of travel can be measured starting from the change signal.

請求項31に記載の距離測定とは対照的に、これはここで測定対象である距離の絶対値ではなく、変化率である。更に、ここでは異なる速度が横方向に存在して既知である必要はない。視線が垂直方向を向いている場合、結果的に下降または上昇速度を測定することになる。   In contrast to the distance measurement according to claim 31, this is not the absolute value of the distance to be measured here, but the rate of change. Furthermore, here different speeds exist in the lateral direction and need not be known. If the line of sight is in the vertical direction, the resulting rate of descent or ascent will be measured.

一方、距離ではなく、速度が近似的に既知である場合、同一構成により絶対距離を決定できる。測定値は距離の逆数の2乗であるため、測定距離の精度は、速度が公知である方式の2倍良い。例えば、速度が±10%までしか既知でない場合、測定距離は従って5%しか変化しない。   On the other hand, when the speed is approximately known rather than the distance, the absolute distance can be determined by the same configuration. Since the measured value is the square of the reciprocal of the distance, the accuracy of the measured distance is twice as good as that of the known speed method. For example, if the speed is only known up to ± 10%, the measuring distance will therefore change only 5%.

距離または接近速度向けの上述のすべての測定方法は、例えば衝突を予想または回避するために、衝突検知に適用することができる。   All the above measurement methods for distance or approach speed can be applied to collision detection, for example to anticipate or avoid collisions.

放射方向シフトの合計以外に、差異が形成されていてよく、すなわち等しい方向を向いた並進の合計を意味する。従って、他の2本の軸に関する横方向の運動は、同時に測定することができる。   Apart from the sum of the radial shifts, a difference may be formed, i.e. the sum of translations in the same direction. Thus, the lateral movement about the other two axes can be measured simultaneously.

図2および3に関して記載した回転および接近の測定方法は組み合わせ可能である。すなわち、少なくとも2個のシフトセンサーの各々の両座標の測定値が解析される。   The rotation and approach measurement methods described with respect to FIGS. 2 and 3 can be combined. That is, the measured values of both coordinates of each of the at least two shift sensors are analyzed.

図4に第四の実施形態の例を示す。3個のセンサー(31、32、33)が、各々の視線が3つの異なる、例えば直角方向に配置されていて、各センサーは2つの測定方向を有していてよい。その結果、最大6個の測定値が得られる。視線は直角でもよいが、それが必須ではない。飛行を安定化させるために、3つの視線のすべてが、三脚のように地表へ向けられていてよい。斜め視線の測定値は、回転マトリクスに従う計算混合により、制御に関連する直線座標に容易に変換することができる。そのような構成により、6個の空間座標すべてに関する向きを得ることができ、飛行運動の全成分を検知および安定化させることができる。すべての測定された値は、回転により生じた上述の影響のためにパージすることができる。すなわち、3個の独立回転センサーが提供される。これらのセンサーの回転軸は、簡単のため同一ベクトル系に照準されていてよい。   FIG. 4 shows an example of the fourth embodiment. Three sensors (31, 32, 33) may be arranged in three different directions, for example perpendicular directions, each sensor having two measuring directions. As a result, a maximum of six measurement values are obtained. The line of sight may be a right angle, but it is not essential. In order to stabilize the flight, all three lines of sight may be directed to the surface like a tripod. The measured values of the oblique line of sight can be easily converted into linear coordinates related to control by calculation mixing according to the rotation matrix. With such a configuration, the orientation with respect to all six spatial coordinates can be obtained, and all components of the flight motion can be detected and stabilized. All measured values can be purged due to the above mentioned effects caused by rotation. That is, three independent rotation sensors are provided. The rotation axes of these sensors may be aimed at the same vector system for simplicity.

しかし、これらの独立回転センサーは無くてもよい。センサー(31)、(32)、(33)のうちの1個を補償するために、残りのセンサーの1個または両方の信号が用いられ、従ってこれらの残りのセンサーが回転測定に用いられ、その測定値が請求項23に記載の第一のセンサーを補償する回転信号として用いられる。   However, these independent rotation sensors may be omitted. To compensate for one of the sensors (31), (32), (33), one or both signals of the remaining sensors are used, so that these remaining sensors are used for rotational measurement, The measured value is used as a rotation signal for compensating the first sensor according to claim 23.

一般に、本明細書に記述している測定方法の任意のものを組み合わせることができる。更に、運動に関連する成分が他の運動関連成分の測定を妨害する影響がこれにより除去される。すなわち、運動の別の混合が他のセンサーで測定され、両方の信号が比較される。運動関連値は、これらの自由度が組合わされた運動、すなわち互いが分離されていない運動からなる場合であっても、互いに独立してある程度の自由度で測定することができる。運動または座標軸は各々、必ずしも互いに直交する必要がない。各センサーは、運動関連成分の他の混合を測定するため、測定値を別個の座標へ分離することができる。すなわち、測定信号は、ベクトル幾何学の法則に従う適切な混合により、線形独立な、またオプションとして直交する、測定信号に変換される。   In general, any of the measurement methods described herein can be combined. In addition, the effects of movement related components interfering with the measurement of other movement related components are thereby eliminated. That is, another mixture of movements is measured with other sensors and both signals are compared. Motion-related values can be measured with some degree of freedom independent of each other, even when these degrees of freedom comprise a combined motion, ie, motions that are not separated from each other. Each motion or coordinate axis need not be orthogonal to each other. Each sensor can separate measurements into separate coordinates to measure other mixtures of motion related components. That is, the measurement signal is converted to a linearly independent and optionally orthogonal measurement signal by appropriate mixing according to the laws of vector geometry.

一般に、任意の数のセンサーを適用してもよく、これらは異なる仕方で照準されていてよい。さらに、信号を解析するために、十分なコントラストを与えるセンサーを選択することができる。これにより、画像詳細が不十分である確率が小さくなる。   In general, any number of sensors may be applied and these may be aimed differently. In addition, sensors that provide sufficient contrast can be selected to analyze the signal. This reduces the probability that the image details are insufficient.

調節制御を行なうにあたって、上述の変換は必須ではない。一般に、運動の空間座標は、混合形式でも同様に測定および調節制御することができる。適切なセンサーの照準により、意図した混合を規定することができる。ヘリコプターの場合、回転の光学測定を、尾部回転翼の制御に適用することができる。これにより、視線は後方下向き斜めに向いていてよい。垂直軸回転と横方向へのドリフトの組合せが次いで測定される。このように、機体は、風から独立して、飛行方向に自身を整列させる。   In performing the adjustment control, the above-described conversion is not essential. In general, the spatial coordinates of motion can be measured and adjusted in a mixed manner as well. With appropriate sensor aiming, the intended mixing can be defined. In the case of helicopters, optical measurements of rotation can be applied to control the tail rotor. Thereby, the line of sight may be directed backward and obliquely downward. The combination of vertical axis rotation and lateral drift is then measured. In this way, the aircraft aligns itself in the direction of flight, independent of the wind.

安定化ために既に一般に用いられている他の航空機器も同様に代替できる。例えば、遠隔制御モデルの場合、一般に用いる垂直軸ジャイロを、回転の測定値で代替することができる。更に、バリオメータの代わりに、請求項31、38、39または40に記載されている、上昇速度の光学測定を用いてもよい。   Other aeronautical equipment already commonly used for stabilization can be substituted as well. For example, in the case of a remote control model, a commonly used vertical axis gyro can be replaced with a rotation measurement. Furthermore, instead of a variometer, an optical measurement of the ascent rate as described in claim 31, 38, 39 or 40 may be used.

例えば飛行高度(バロメータ)や機首の整列(コンパス)等、他の運動関連成分の測定に一般に用いる機器と組み合わせて、完全な自動操縦を実現することができ、制御を完全に代替する。   In combination with instruments commonly used to measure other motion-related components, such as flight altitude (barometer) and nose alignment (compass), complete autopilot can be achieved, completely replacing control.

GPS制御されたアプリケーションの場合、精度、解像度、および測定速度が、特に地表の近くの範囲で、光学測定値で補完することにより大幅に改善することができる。   For GPS controlled applications, accuracy, resolution, and measurement speed can be significantly improved by supplementing with optical measurements, especially in the range near the ground.

周辺環境から来る/の照明またはコントラストが不十分ならば、センサー信号が誤る恐れがある。そのようなエラーの大部分は、大きさが過小であるか完全に欠落していて、大部分は局所的に、すなわち単一の場所で生起するシフト値の形式となって表われる。使用可能な画像位置の数を増やすために、かつドロップアウトを減少させるために、既に図2、3または4に関して説明したように、異なる視線を有する数個のセンサーを提供して相互に関してセンサー信号の関係を解析することができる。これにより、共有測定結果が得られ、測定値がより小さいセンサーは重み付けされないか、重み付けが小さい。「より小さい」という用語は、1個以上の座標からのシフト測定値の大きさ、および/またはシフトセンサーから出力されている実際の明るさおよび/または各センサーのコントラスト品質の測定値を表わしていてよい。共有測定値は例えば、最大値定式化、加重平均定式化、あるいは、各々の最強センサーへの切替えにより、得ることができる。   If the illumination or contrast coming from the surrounding environment is insufficient, the sensor signal may be incorrect. Most of such errors are undersized or completely missing, and most appear in the form of shift values that occur locally, that is, at a single location. In order to increase the number of usable image positions and to reduce dropout, as already described with reference to FIG. 2, 3 or 4, several sensors with different line of sight are provided to provide sensor signals with respect to each other. Can be analyzed. As a result, a shared measurement result is obtained, and a sensor having a smaller measurement value is not weighted or weighted. The term “smaller” refers to the magnitude of the shift measurement from one or more coordinates and / or the actual brightness output from the shift sensor and / or the contrast quality measurement of each sensor. It's okay. The shared measurement value can be obtained by, for example, maximum value formulation, weighted average formulation, or switching to each strongest sensor.

複数のシフトセンサーから、配列を生成することができ、センサー同士がマトリックス網状に相互接続されていて、本明細書に記載されるような重み付けの結果が得られるようにできる。更に、図2、3および4に関して記載されたように、信号解析法と組合せることも可能である。これにより、運動を徹底的に解析することができ、速度に関する限り、ビデオ信号の解析に基づく方法よりはるかに優れている。   An array can be generated from a plurality of shift sensors, and the sensors can be interconnected in a matrix network to obtain a weighted result as described herein. Further, it can be combined with signal analysis methods as described with respect to FIGS. This allows a thorough analysis of motion and is far superior to methods based on analysis of video signals as far as speed is concerned.

測定信号が省略された場合に、測定の妨害要因となり得る制御エラーを、上に挙げた方法とは独立に、またはこれと組み合わせて回避するために、調節制御を他のモードに切替えることができ、その際に光学測定信号を必要としない。切り替えは、測定信号が存在しない、および/または最小コントラスト値および/または最小明度を下回ることにより制御することができる。調節制御の切替えが実行される。そこでは混合対象となる実測値と測定値の混合における重み付け部分、および調節制御が適切な方法が、例えば先行技術から公知の構成により、シフトセンサーなしで、光学信号は再び十分に存在するようになるまで再編成される。その単純かつ特殊なケースにおいて、測定信号が欠落している間、回転翼の傾きを水平状態に保つことができる。   In order to avoid control errors that could interfere with the measurement when the measurement signal is omitted, the control can be switched to another mode independently or in combination with the methods listed above. In this case, no optical measurement signal is required. Switching can be controlled by the absence of the measurement signal and / or below the minimum contrast value and / or minimum brightness. Switching of the adjustment control is executed. There, the weighting part in the mixing of the actual value and the measured value to be mixed, and a method in which the adjustment control is appropriate, for example, with a configuration known from the prior art, so that the optical signal exists again sufficiently without a shift sensor It will be reorganized until. In its simple and special case, the tilt of the rotor blade can be kept horizontal while the measurement signal is missing.

上述のような装置、または請求項に記載のような装置はまた、機器と、そこから距離をおいて配置されている任意の種類の物体との間の相対運動の検知または測定を行なう((仮想画像の光学的傾きの方向の角度変化を測定することにおいて))ためにも利用することができる。それにより、一方で光学的にサンプリングされた物体は移動していても、および/または他方で、記述した飛行物体のケースと同様に、物体がセンサー装置を搭載していてもよい。このために、複数の感光部分の領域(ピクセル)が提供されて、光学構造のシフト検知し、当該シフトの測定信号を出力して、チップに一体化された解析装置を含む光電子シフトセンサー(3)が、画像化光学システム(1)と組合わされていて、無限遠にある物体の光学構造が、画像シフトを検知するのに十分な解像度を以ってセンサー感光領域上へ画像化されるように配置されているだけでよい。   A device as described above or as claimed may also detect or measure relative movement between the device and any kind of object located at a distance therefrom (( Can also be used for measuring the angle change in the direction of the optical tilt of the virtual image)). Thereby, the optically sampled object may be moving on the one hand and / or on the other hand, the object may be equipped with a sensor device, similar to the case of the flying object described. For this purpose, a plurality of photosensitive part regions (pixels) are provided to detect the shift of the optical structure, output a measurement signal of the shift, and an optoelectronic shift sensor (3) including an analysis device integrated on the chip. ) In combination with the imaging optical system (1) so that the optical structure of an object at infinity is imaged onto the sensor photosensitive area with sufficient resolution to detect image shifts. It only has to be arranged in.

照明として、周辺光が提供されてよい。シフト−走査に必要なコントラストは、画像化された物体の表面から、または背景に関して1個以上の物体(群)の輪郭から生じてよい。   As illumination, ambient light may be provided. The contrast required for shift-scan may arise from the surface of the imaged object or from the contour of one or more objects (group) with respect to the background.

光学式マウスの動作とは対照的に、物体は当該装置の光学的捕捉範囲より小さくてよく、この範囲は感光センサー領域の大きさ、焦点距離および走査距離により決定される。物体は、走査に必要な光により透照照明されていてよい。   In contrast to the operation of an optical mouse, the object may be smaller than the optical capture range of the device, which range is determined by the size of the photosensitive sensor area, the focal length and the scanning distance. The object may be illuminated by light necessary for scanning.

走査された物体が移動する際に、可能なアプリケーションのリストをここに示す。アプリケーションは、移動する物体の存在を検知するものであり、例えば、進入してくる乗り物または訪問者に対し自動的にゲートを開閉し、光電リレーまたは光バッフル等の公知光センサーとは対照的に背景が構造化されていない場合、探索範囲に制約はない。背景が無構造の場合、検知された物体は光学的検知レンジより大幅に小さくてもよく、これは感光センサー域のサイズにより決定される。   Here is a list of possible applications as the scanned object moves. Applications are those that detect the presence of moving objects, such as automatically opening and closing gates for incoming vehicles or visitors, as opposed to known optical sensors such as photoelectric relays or light baffles. If the background is not structured, the search range is not limited. If the background is unstructured, the detected object may be significantly smaller than the optical detection range, which is determined by the size of the photosensitive sensor area.

更なる変型例として、移動物体の速度または回転の非接触測定、あるいは移動物体までの距離の測定がある。例えば、センサーはコンベヤーベルト上に置かれた移送材料に向けられていてよい。光学的に測定された移動速度から移送速度が既知ならば、移送材料の高さの測定値が得られる。すなわち、その逆数が計算される。   Further variations include non-contact measurement of the speed or rotation of a moving object or measurement of the distance to the moving object. For example, the sensor may be directed to a transfer material placed on a conveyor belt. If the transfer speed is known from the optically measured movement speed, a measurement of the height of the transfer material is obtained. That is, the reciprocal thereof is calculated.

更に、誤差の自由度に関して連続的材料を解析することができる。表面の状態および照明に応じて、誤差を、検知された構造として、あるいは欠落した構造としても検知することができる。一般に用いられる画像処理システムとは対照的に、コストを大幅に節減することができる。   In addition, continuous materials can be analyzed for error degrees of freedom. Depending on the surface condition and illumination, the error can be detected as a detected structure or as a missing structure. In contrast to commonly used image processing systems, costs can be significantly reduced.

更に、液体または気体の速度を、それと共に搬送される浮遊粒子により測定することができる。   In addition, the velocity of the liquid or gas can be measured by suspended particles carried with it.

更なる用途として、例えば表示ウィンドウのように、観察者の移動に応じて視覚的表現が得られる。このために、観察者は装置により光学的に走査される。観察者の顔面を走査することで、3次元画像表現と関連して公知の追跡(頭部追跡)の問題が費用効率の良い方法で解決できる。シフトセンサーの測定信号を、頭部および/または実際の目の位置のシフトの尺度として用いることができる。この信号は、頭部が動いた場合でも正しく位置付けられた目へ入射させるべく、観察者の頭の動きと一致するように観察者から見える画像の視認の遠近感を制御すること、並びに立体光学的画像表現の場合に別々の目に備わっている射出瞳の射出方向を制御することの両方が可能である。   As a further application, a visual representation can be obtained in response to the movement of the observer, for example a display window. For this purpose, the observer is optically scanned by the device. By scanning the observer's face, the known tracking (head tracking) problem associated with 3D image representation can be solved in a cost effective manner. The measurement signal of the shift sensor can be used as a measure of the shift in head and / or actual eye position. This signal controls the perspective of visual recognition of the image seen by the observer to match the movement of the observer's head, as well as stereo optics, so as to be incident on the correctly positioned eye even when the head moves. It is both possible to control the exit direction of exit pupils provided in separate eyes in the case of a visual image representation.

センサーのシフト信号に加えて、照明値またはコントラスト品質値等、センサーから得られる更なる測定信号も同様に解析することができる。これは、移送された材料の検知および機械の制御に好都合である。   In addition to the sensor shift signal, further measurement signals obtained from the sensor, such as illumination values or contrast quality values, can be analyzed as well. This is advantageous for detection of transferred material and machine control.

移動するセンサー装置の場合での応用例として、ロボットや乗り物用があり、また自動操舵、特に調節制御ループによる自動操舵、並びに距離検知および衝突回避がある。この場合も、運動は選択的かつ定量的に測定されても、または例えば障害物等の物体の存在だけが検知される。横方向の視線の場合、例えば壁に関するような横方向の距離を測定および調節制御することができる。これにより、アクチュエータとして、操舵を制御することができ、障害物に沿って操縦することができる。   Examples of applications in the case of moving sensor devices include robots and vehicles, and also include automatic steering, especially automatic steering with an adjustment control loop, distance detection and collision avoidance. Again, movement is measured selectively and quantitatively, or only the presence of an object such as an obstacle is detected. In the case of a lateral line of sight, the lateral distance, for example with respect to the wall, can be measured and adjusted. Thereby, as an actuator, steering can be controlled and it can be steered along an obstacle.

ヘリコプターを安定化させる第一の実施形態の例を示す。2 shows an example of a first embodiment for stabilizing a helicopter. 垂直軸回りの回転を測定および安定化させる第二の実施形態の例を示す。Fig. 4 shows an example of a second embodiment for measuring and stabilizing rotation about a vertical axis. 垂直速度または物体までの距離を測定する第三の実施形態の例を示す。Fig. 5 shows an example of a third embodiment for measuring vertical velocity or distance to an object. いくつかの自由度の組み合わせ測定を行なう第四の実施形態の例を示す。The example of 4th Embodiment which performs the combination measurement of several degrees of freedom is shown. 第一の実施形態の例の調節制御のブロック図を示す。The block diagram of the adjustment control of the example of 1st embodiment is shown.

Claims (13)

機械制御可能な、または駆動機構を備えた乗り物の運動および/または位置を、6個の空間自由度のうち少なくとも1個において測定する光学検知システムであって、
該システムは、
前記乗り物に搭載されていて、外界の画像区画を画像平面に射影するのに適している光学画像化手段と、
複数の感光部分領域(ピクセル)と、ピクセル画像のシフトを検知し、該シフトの測定信号を出力する電子評価回路とを、共通の基板上に備えた光電子シフトセンサーと
を具備し、
前記光学画像化手段は、無限遠にある物体の光学構造を前記シフトセンサー上に射影すべく適合および構成される
ことを特徴とする光学検知システム。
An optical sensing system that measures the motion and / or position of a machine-controllable or drive-equipped vehicle in at least one of six spatial degrees of freedom,
The system
Optical imaging means mounted on the vehicle and suitable for projecting an image section of the outside world onto an image plane;
An optoelectronic shift sensor provided on a common substrate, and a plurality of photosensitive partial areas (pixels) and an electronic evaluation circuit that detects a shift of the pixel image and outputs a measurement signal of the shift;
The optical sensing system, wherein the optical imaging means is adapted and configured to project an optical structure of an object at infinity onto the shift sensor.
前記シフトセンサーとして、少なくとも光学マウスに使われるセンサーのチップが用いられることを特徴とする請求項1に記載のシステム。The system of claim 1, wherein as the shift sensor, wherein the sensor chip used in at least an optical mouse is used. 前記シフトセンサーが、シフトの測定値を増分シフト値の形式、又はシフト・ジャンプの形式で出力する出力機能を備えていることを特徴とする請求項1に記載のシステム。  The system according to claim 1, wherein the shift sensor has an output function of outputting a shift measurement value in the form of an incremental shift value or a shift jump. 前記シフトセンサーが1,500個未満のピクセルを有し、ピクセルの読み出し速度および評価速度が120Hzを超えることを特徴とする請求項1に記載のシステム。  The system of claim 1, wherein the shift sensor has less than 1,500 pixels, and pixel readout and evaluation speeds exceed 120 Hz. 電子評価プロセスにおいて、前記シフトセンサーから得られる少なくとも1個の測定座標の出力信号から以下の測定値、増分シフトの合算によるシフト量、測定されたシフトの速度、速度の変化率、測定された運動の発生のうち少なくとも1つの測定量を得るべく最適に適合された電子機器を更に備えることを特徴とする請求項1に記載のシステム。  In the electronic evaluation process, from the output signal of at least one measurement coordinate obtained from the shift sensor, the following measurement value, shift amount by the sum of incremental shifts, measured shift speed, rate of change of speed, measured movement The system of claim 1, further comprising an electronic device optimally adapted to obtain at least one measurement of the occurrence of. 前記シフトセンサーから出力された測定信号を、測定されたシフトの速度の測定値に変換すべく最適に適合された電子機器であって、該電子機器は、シフトの方向を先行指標として考慮しつつ、前記シフトセンサーから出力されたシフト増分またはシフト・ジャンプの周波数を測定することを特徴とする請求項5に記載のシステム。  An electronic device that is optimally adapted to convert a measurement signal output from the shift sensor into a measured value of the speed of the shift, the electronic device taking into account the direction of the shift as a leading indicator 6. The system according to claim 5, wherein a frequency of shift increment or shift jump output from the shift sensor is measured. 前記シフトセンサーの測定信号から導かれた実測値から制御値を生成する電子(制御)機器を備え、該電子(制御)機器は、飛行物体の飛行を安定化させるために、該飛行物体を制御する作動要素に接続されていることを特徴とする請求項1に記載のシステム。  An electronic (control) device that generates a control value from an actual measurement value derived from the measurement signal of the shift sensor, the electronic (control) device controls the flying object in order to stabilize the flight of the flying object The system according to claim 1, wherein the system is connected to an actuating element. 少なくとも1個のジャイロスコープと、
前記ジャイロスコープおよび前記シフトセンサーから導かれた信号を補償混合すべく適合された電子回路と
を具備することを特徴とする請求項1に記載のシステム。
At least one gyroscope,
The system of claim 1, comprising: an electronic circuit adapted to compensate and mix signals derived from the gyroscope and the shift sensor.
飛行物体、ヘリコプター又は他の回転翼飛行機に備えられることを特徴とする請求項1に記載のシステム。The system according to claim 1, characterized in that the flying object, provided in helicopter or other rotary wing aircraft. 前記シフトセンサーにより出力された光電子的に生成された測定値を少なくとも部分的に実測値として利用し、該測定値から制御値を生成するフィードバックループを更に具備し、
前記制御値は、速度偏差に比例および反比例して定義され、少なくともロール運動を制御する
ことを特徴とする請求項7に記載のシステム。
A photo-electronically generated measurement value output by the shift sensor is at least partially used as an actual measurement value, further comprising a feedback loop for generating a control value from the measurement value;
The system according to claim 7, wherein the control value is defined in proportion to and in inverse proportion to a speed deviation, and controls at least a roll motion.
前記フィードバックループはロール傾斜角を制御することを特徴とする請求項10に記載のシステム。  The system of claim 10, wherein the feedback loop controls a roll tilt angle. 少なくとも2個のシフトセンサーが使用され、光学画像化の結果生じるそれらの主視線が所定の角度だけ拡がっていること、および、それらのセンサー信号が相互に関連して解析されることを特徴とする請求項1に記載のシステム。  At least two shift sensors are used, their main line of sight resulting from optical imaging is spread by a predetermined angle, and their sensor signals are analyzed in relation to each other The system of claim 1. 請求項1乃至12のいずれか一項に記載のシステムにより特徴付けられる遠隔操作可能な飛行乗り物。Remotely controllable flying vehicle, characterized by a system according to any one of claims 1 to 12.
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